DE2203739A1 - Spektralpyrometer - Google Patents

Description

• Spektralpyrometer Spektralpyrometer Die Erfindung betrifft ein Spektralpyrometer nit stark überlappten Meßbereichen sowie einem Sekundärelektronen vervielfacher als Strhlungsempfänger und alternierendem Heligkeitsvergleich zwischen einer Meßstrahlung und einer Vergleichsstrahlung.
• Bekannt sind Gesamtstrhlungs- uns Bandstrhlungspyrometer, die fbr eine möglichst gute Austzung des vorhandenen Strhlungsspektrums ausgelegt sind. Der Nachteil einer solchen Auslegung der Pyrometer ist ein starker Emissionsgradeinfluß auf die Temperaturanzeige.
• Es sind auch Spektralpyrometer bekannt, die nit Sekundärelektronvervielfacher ode Photozellen arbeiten und für tiellenlängen im sichtbaren Spektralgebiet ausgelegt sind. Sie besitzen infolge eines Verhältnisses der effektiven Wellenlänge zur Wellenlänge mit dem Maximum der spektralen Energierverteilung # eff/# max #1 eine wesentlich steilere Charakteristik von Strahldichte und Temperatur als vorgenannte Pyrometerarten. Hierdurch wird der Emissionsgradeinfluß stark eingeschränkt.
• In Spektralpyrometern wird diese effektive Wellenlänge für alle Meßbereiche im Temperaturbereich von 700 oO bis zu mehreren tausend Grad verwendet, so daß bei hohen Temperaturen der Emissionsgrad wieder erheblich anwächst.
• Zur Vermeidung fehlerverursachender Einflüsse auf den trahlungsempfänger werden vielfach Kompensationsverfahren, die die Meßstrhlung mit einer Vergleichsstrahlung abgleichen, verwendet. Weiterhin sind auch Hochtemperaturpyroneter mit UV-Spektralbereichen bekannt geworden, die für ein #eff/ #max = 1/3 ausgelegt worden sind und einen sehr geringen Emissionsgradeinfluß besitzen. Sie verwenden Sekundärelektronenvervielfacher als Strhlungsempfänger, wobei dann aber eine Temperatureinstellung von Hand durchgeführt werden muß und nur eine Temperaturdifferenzanzeige zwischen eingestellter Solltemperatur und Isttemperatur automatisch erfolgt.
• Der Anzeigebereich ist infolge der steilen Charakteristik von Strahldichte und Temperatur sehr schmal.
• Mit den bekannten Geräten kann entweder eine automatische Temperaturmessung durchgeführt werden und sie sind dann nicht für sehr kleine #eff/#max geeignet oder sie besitzen ein sehr kleines #eff/#max und erlauben die Temperaturmessung nur mittels Handeinstellung und Temperaturdifferenzanzeige. Nur diese Ausführung besitzt den schmalen Meßbereichsumfang infolge der für kleine Ä eff/ # max steilen Charakteristik von Strahidichte und Temperatur.
• Zweck der Erfindung ist es, die angeführten Mängel weitgehend herabzusetzen und den Anwendungsbereich des Gerätes zu ervieitern.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein rldt den geringstmöglichen Emissionsgradeinfluß arbeitendes und zur automatischen Temperaturmessung in breiten Temperat urbereichen geeignetes Spektralpyrometer zu entwickeln.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß ein Spektralpyrometer geschaffen wurde, das die Verwendung von effektiven Wellenlänge gestattet, deren Verhältnis zur Wellenlänge mit dem Maximum der spektralen Energieverteilung # eff/ #max für die mittlere Meßbereichstemperatur /1/4 beträgt. Die sich gut überlappenden tteßbereiche sind so gevrählt, daß deren effektive Wellenlängen bei niedrigen Meßbereichen im infraroten und bei höheren in sichtbaren bzw. ultravioletten Spektralgebiet liegen.
• Zur Erreichung eines möglichst kleinen # eff/ #max wird der Visierkennwert, das Verhältnis zwischen dem notwendigen Meßobjektdurchmesser und der Meßbjektentfernung, auf Werte zwischen 1 : 50 ... 1 : 300 zugunsten der Bestrahlungsstärke auf der strahlungsempfindlichen Fläche des Sekundärelektronenvervielfachers in Abhängigkeit vom jeweiligen Meßbereich begrenzt und #eff so gewählt, daß bei der Meßbereichstemperatur gerade noch die vorgegebene Ansprechempfindlichkeit eingehalten wird. Als Strhlungsempfänger wird ein Sekundärelektronenvervielfacher verwendet. Um evtl. fehlerverursachende Einflüsse auf die Temperaturmessung auszuschalten und eine Hochspannungsstabilisierung zu vermeiden, wird ein Kompensationsverfahren mit einem Vergleichsstrahler angewendet.
• Zur Erreichung von breiten Meßbereichen wird eine Verringerung der Sekundärelektronenvervielfachers-Betriebsspannung in Abhangigkeit vom Meßausschlag vorgenommen.
• Hierdurch tritt eine Begrenzung des Anodenstromes des Sekundärelektronenvervielfachers ein, so daß bei der Meßbereichstemperatur, plus hundert Grad Sicherheit, keine Uberschreitung der maximal zulässigen Stärke des Anodenstromes auftritt. Eine Ermüdung des Sekundä.relektronenvervielfachers durch überhöhte Bestrahlungsstärken wirkt sich durch das verwendete Kompen£ationsverEahren nicht auf die Temperaturmessung aus. Die Reduzierung der Betriebsspannung der Sekundärelektronenvervielfachers kann entweder durch eine selbstbegrenzende Betriebsspannungsquelle oder durch Steuerung einer verstellbaren Betriebsspannungsquelle aus der Kompensationsschaltung erfolgen. Als Kompensationseinrichtung wird ein servomotorisches Abgleichsystem, bestehend aus Kompensationsverstärker, Stellmotor und Abgleichpotentioneter, verwendet.
• Durch diese vorgeschlagene Meßeinrichtung ist es möglich, Temperaturmessungen, die mit geringsten Fehern infolge des Emissionsgradeinflusses behaftet sind, in breiten Temperatuebereichen automatisch vorzunehmen, wobei durch überlappte tjeßbereiche eine optillale Anpassung an bestimmte Arbei;tstenperaturbereiche möglich ist.
• Als Kompensationseinrichtung werden zuverlässige und serienmäßig gefertigte Baugruppen verwendet.
• Die Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen und der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.
• Dabei zeigen: Fig. 1 eine grafische Darstellung von Temperaturfehlern Fig. 2 den schematischen Aufbau des Gerätes Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Kompensationsschaltung Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Kompensationsschaltung In der Fig. 1 sind die in den beiden Ausführungsbeispielen auftretenden Abweichungen von der reellen Temperaturanzeige, infolge einer Anderung des Emissionsgrades von 10 % fiir die einzelnen Meßbereiche in Abhangigkeit von der Meßbereichstemperatur, grafisch dragestellt.
• Die Benummerung der einzelnen Kurven stellt die Zuordnung zu den Meßbereichen dar. Es wurden beispielsweise folgende Meßbereiche mit nachstehenden effektiven Wellenlängen verwendet.
• Lfd. Nr. Meßbereich eff °C 1 400 ... 800 0;83 2 600 ... 1.200 0,60 3 800 ... 1.600 0,49 4 1.100 ... 2.000 0,35 5 1.500 ... 2.500 0,26 6 2.000 ... 3.000 0,21 Die effektiven Wellenlängen wurden so-klein gewählt, daß der Fehler zwischen 0,3 ... 0,65 % liegt. Die Meßbereiche überlappen sich derartig, daß eine Anpassung an verschiedene Meßaufgaben bestmöglich ist.
• In Fig. 2 ist der schematische Aufbau des Gerätes dargestellt. Die Strahlung eines Meßobjektes 1 gelangt über ein optisches System auf einen Sekundärelektronenvervielfacher 2. Durch einen Schwingspiegel 5 wird alternierend die Strahlung eines Vergleichsstrahlers 3 auf den Sekundärelektronenvervielfacher 2 gegeben. Die in Spannungs-Schwankungen umgesetzten Strahlungsunterschiede werden in einer Kompensationseinrichtung 4 so verarbeitet, daß die Strahlungsdichte des Vergleichsstrahlers 3 der des Meßobjektes angeglichen wird.
• In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Kompensationsschaltung schematisch dargestellt. Die Spannungsschwankungen vom Sekundärelektronenvervielfacher 2 werden in einem Kompensationsverstärker 7 verstärkt und einem Stellmotor 8 zugeführt. Dieser verstellt ein Abgleichpotentiometer 9 solange, bis die Besttrahlungsstärke vom Vergleichsstrahler 3 mit der vom Meßbjoekt 1 abgeglichen ist. Das Abgleichpotentiometer 9 verändert den Heizstrom des Vergleichsstrahlers 3, der aus einer unstabilisierten Spannungsquelle 12 gespeits wird. Der Sekundä-relektronenvervielfacher 2 wird aus einer selbstbegrenzenden Betriebsspannungsquelle G gespeist. Der tampenstrom ist ein Maß der Meßobjekttemperatur. Über einen Normalwiderstand 10 können sekundä-rgeräte 11 angeschlossen werden.
• In Fig. 4 ist ein zweites ausführungsbeispiel der Kompensationsschaltung schematisch dargestellt. Hier wird der Vergleichsstrahler 3 mit einer Konstanten Spannung aus der Konstantspannungsquelle 14 gespeist. Die Stellung des Ableichpotentiometres 9 ist dann ein Maß der Temperatur des Meßobjektes 1. Somit ist es möglich, einen Kompensationsbandschreiber bzw. Kompensationsanzeiger 15 als Abgleich-und zusätzlich als Schreib- bzw. Anzeigeeinrichtung zu vervenden. Der Stellmotor 8 steuert über das Antriebsgetriebe des Kompensationsbandschreibers bzw. Kompensationsanzeigers 15 gleichzeitig die verstellbare Betriebsspannungsquelle 13 zur Spannungsversorgung des Sekundärelektronenvervielfachers 2 in Abhängigkeit von der Meßbereichstemperatur so, daß die maximal zulässige Stärke des Anodonstroms für den Sekundärelektronenvervielfacher 2 nicht berschritten wird.

Claims (6)

Patentansprüche

1. Spektralpyrometer mit stark überlappten Meßbereichen sowie einem Sekundärelektronenvervielfacher als Strahlungsempfänger und alternierendem Helligkeitsvergleich zwischen einer Meßstrahlung und einer Vergleichsstrahlung sowie einer automatischen Anzeige und/oder Aufzeichnung der Meßwerte, gekennzeichnet durch eine Auslegung des Verhältnisses seiner effektiven Wellenlänge zur Wellenlänge mit dem Maximum der spektralen Energierverteilung für alle seine mitteleren Meßbereichtemperaturen von <¼, wobei alle Visierkennwert zugunsten der auf die strahlungsempfindliche Fläche des Sekundärelektronenvervielfachers (2) wirkenden Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit vom jeweiligen Meßbereich eingeschränkt wird, eine in Abhängigkeit von der Meßbereichstemperatur selbstbegrenzende oder verstellbare Betriebsspannungsquelle (6;13) für den Sekundärelektronenvervielfacher (2) und eine Kompensationseinrichtung (4), mit einem Kompensationsverstärker (7), einem Stellmotor (8) und einem Abgleichpotentiometer (9), angeordnet ist.

2. Spektralpyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß dem Sekundärelektronenvervielfacher (2) vorzugsweise eine durch hochohmige Auslegung seines Innenwiderstandes selbstbetbegrenzende Betriebsspannungs quelle (6) zugeordnet ist.

3. Spektralpyrometer nach Anspruch ?, dadurch gekennzeichnet, daß zur meßbereichstemperaturabhängigen Steuerung einer verstellbaren Betriebsspannungsquelle (13) für die Anodenstrombegrenzung des Se}'unda-.relektronenvervielfachers (2) der Stellmotor (8), das Abgleichpotentiometer (9) und der Komiensationsbandschreiber bzw.

Kompensationsanzeiger (15) vorgesehen sind.

4. Spektralpyrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Heizstromsteuerung des Vergleichsstrahlers (3) mittels des Abgleichpotentiometers (9), wobei der Heizstrom als Temperaturmaß des Meßobjektes dient und zur Verwendung des Spannungsabfalls für den Anschluß von Sekundärgeräten ein Normalwiderstand (10) beigeordnet ist.

5. pektralpyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen von einer Konstantspannungsquelle (14) gespeisten Vergleichsstrahler (3) enthält, die Stellung des Abgleichpotentiometers (9) als Maß der Temperatur des Meßobjektes verwendet und ein gleichzeitig als Kompensations-, Regitrier- und Anzeigeeinrichtung dienender Kompensationsbandschreibers bzw.

-anzeiger (15) zugeordnet ist.

6. Spektralpyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zur vorzugsweisen Anwendung in den überlappten Meßbereichen der effektiven Wellenlängen Meßbereich effektive Wellenlänge oc 400 ... 800 0,83 600 ... 1.200 800 ... 1.o0o 0,49 1.100 ... 2.000 0,35 1.500 ... 2.500 0,26 2.000 ... 3.000 0,21 ausgebildet ist.